Megnövelt energiatermelés és hatásos nitrogéneltávolítás lehetőségei a lakossági szennyvíztisztításnál Dr. Kárpáti Árpád Pannon Egyetem
A szennyvíz energiatartalma Goude, V. G. (2016) Wastewater treatment in microbial fuel cells - overview. J. of Cleaner Production 122 (2016) 287-307. szerves szennyezőanyagok ~1,79 kwh/m 3 1540 kcal/m 3 N és P energiája ~ 0,7 kwh/ m 3 600 kcal/m 3 hőenergia ~ 7 kwh/ m 3 5200 kcal/m 3 Az ilyen adatok mindig valahonnan, valakitől vannak! A fenti szerves anyag fajlagos alig a fele a hazaiakénak. A növényi tápanyagok energiája negatív előjellel is jelentkezhetne, mennyiségileg semmiképpen nem is igaz. A szennyvíz hőenergiája a lakosság vízmelegítésének a függvénye (szennyvíz-hőmérséklet). Számítása egy talpponti vízhőmérséklet függvénye. Jobb ezért csak az elsővel foglalkozni a szennyvíznél (LEÉ alapján).
Az energiatakarékosság korunk égető igénye. A szennyvíztisztításban ez azt jelenti, hogy egyrészt minimális mennyiségű szerves anyagot oxidáljunk el a főágon, minimális mennyiségű O2 felhasználásával, másrészt az alig változtatott eredeti lebegő és oldott szerves anyagból és az iszappá alakított változataikból maximális mennyiségű energiát állítsuk elő és használjuk fel a tisztítás oxigénellátására és a tisztítás egyéb lépcsőire.
Biometanizáció Szerves anyag átalakítása: CH4 + 2 O2 > CO2 + 2 H2O Anyagmennyiségekben: 16g + 64g > 44g + 2x18g ebből 1 g metán = 4 g KOI ill. fordítva: A tömegfajlagos kémiai oxigénigény tehát: 4 g KOI / g CH4 (1 g KOI = 1/4 g CH4,) (1 m 3 metán 9,94 kwh, illetőleg mivel 1 kwh = 860 kcal 16/22,41 = 0,714 kg (1 m 3 ) metán= 9.94 kwh 0,714 kg metán = 9,94 kwh, ami 9,94X860 = 8550 kcal 1 g metán = 11.9 kcal = 4 g KOI 1 g KOI ~ 3 kcal illetőleg 0,33 liter normál térfogatú CH4
Energia visszanyerés optimalizálása a KOI metanizációjakor Az álom: 110 g KOI min. 2/3 részében metánná és CO2-vé alakítása Veszteségek a 110 g KOI/főd -ből mindig lesznek Csak anaerob MBR reaktortechnikával (híg a víz) N és P döntő része a metanizált szennyvízben marad Kisebb mértékű energia visszanyerés előülepítésnél és CEPT-nél 110 g KOI 1/3 ill 2/3 részének a 2/3-a lesz CH4 és CO2 Kivitelezése egyszerű, de utóbbinál szennyezett iszap! N és P döntő része a szekunder biológiára kerül. Nitrifikáció/denitrifikáció nehézsége ott a szerves C hiány. BOI-P eltávolításé hasonlóképpen, ill. vegyszeres kicsapatás. Szekunder biol. iszaphozama nagy HRT-miatt elég kicsi. Iszapjuknak csak az 1/3 része alakul metánná.
LEÉ-ből kiindulva a szerves anyag energiává alakítása (KOI-110 g/fő d - 330 kcal/főd) Tisztított vízben maradó része nélkül 300 kcal/fő d Megoszlása : 1/3 rész durvább lebegő (előülepítésre kerülő) 1/3 rész finomabb kolloid (koaguláltatható fehérjék, stb) 1/3 rész oldott KOI (benne aminosavak C-je) továbbá marad oldottan az ammónium míg a foszfátok oldatba és csapadékba is kerülhetnek
Szerves anyagok energiájának visszanyerése (LEÉ): Originál szerves anyag metanizálhatósága iszapból 2/3 részében Biostabilizált (szekunder) iszapnál 1/3 részében Előülepítés nélküli eleveniszapos tisztításnál 110 g KOI = 60 g BOI5 36 g MLVSS = 54 g KOI (1:1 kevert) - 81 kcal Előülepítéssel A: 1/3 rész =37 g KOI a primer iszapba (22 g KOI > 66 kcal metán) B: CEPT-el 2/3 rész=74 g KOI a primerbe (44 g KOI > 132 kcal - -) Sec. iszapban 72 vagy 36 g KOI mintegy fele kerül (36 ill 18 g KOI) aminek harmadából lesz metán: 12 ill. 6 g KOI > 36 ill. 18 kcal Összegezve: A 102 B 150 kcal/főd Villanyáramban (45 %-a) 47 67 kcal/főd Szennyvíz közvetlen metanizációjával (85 %) 280 kcal/főd (45 %-a)
Szerves anyag biológiai oxidációjának az O2 igénye /főd (OC ~ 0,8 kg O2/kg KOI) (100 g KOI/fő d ből) (2,5 kg O2/kWh -val, de gázmotor csak 45 % hatásfokú Optimális denitratálás / már utat is kell keresni. Előülepítetlen szennyvíznél 80 g O2/fő d 27,5 kcal Előülepítéskor 2/3 részre 53 - - 18,2 - - CEPT-nél 1/3 részre 27 - - 9,3 - - Anaerob MBR 0 részre 0 - - 0 - - N (-3) N (0) átalakítás oxigénigénye (Nitr/Den) /főd ~ 8,5 g/főd x 1,7 g O2/g TKN ~ 14,5 g O2/fő d + 2,5 g/főd x 4,3 g O2/g TKN ~ 10,5 - - Összesen ~ 25 - - 8,6 kcal
A nitrogéneltávolítás javítása eleveniszapnál Szimultán eleveniszapos nitrogénmentesítés Nitrifikáció/denitrifikáció Hatásfok szimultán denitrifikáció nélkül: (Ri + Rb)/1+Ri+Rb Hatásfok szimultán denitrifikációval =? Könnyen hasznosítható tápanyaggal fokozható etanol, methanol, laktóz, acetát, cukor, Endogén szubsztrát hasznosítás optimalizálása DO bejutás minimalizálása
Különböző biológiai nitrogén eltávolítási utak oxigén és szerves anyag igényei.
Különleges megoldás a Böhnke féle AB biológia történhet az akár előülepítés után is. A fajlagos iszaphozama nagyobb, Bioiszapjának a kirothadása bizonyára jobb, N eltávolítás döntően a B lépcsőben (szerves C hiánnyal) P eltávolítás esetleg vegyszerrel már az A lépcsőben ez javítja a B lépcső iszapminőségét (autotrof részarány) Megoldás lehet a főági nitrogénmentesítés, mint a teljes szennyvíz anaerob MBR-jénél (sajnos itt is híg a víz)
Biofilmes, granulált iszapos lehetőségek Főági megoldásnál MBBR és N eltávolítás 2. lépcsőben Mellékágnál eddig csak granulált iszap (DEMON) Második lépcsőben nincs gyakorlat híg víz miatt biofilm, vagy MBR a lehetőség.
Konkluzió 1 A kémiai energia láthatóan a könnyen kinyerhető energiafajtája a lakossági szennyvizeknek. A hőenergiájuk csakis hőszivattyúval hasznosítható valamilyen mértékben, éppen a szennyvíz hőmérsékletének a függvényében. A szerves anyagok kémiai energiájának a maximált visszanyerésével a szennyvíztisztítás elvileg energia semlegessé alakítható, a környezet iszaphulladékoktól egyidejűleg megvalósuló védelmével egyetemben. Sajnos a gázmotorok energiaátalakítási hatásfoka elég gyatra, így a keletkező hőenergia egyidejű hasznosításáról is gondoskodni kell, mint teszi ezt hazánkban a debreceni szennyvíztisztító lakossági hőszolgáltatással.
Konkluzió 2 Összességében megállapítható, hogy a jelenlegi szennyvíztisztítási megoldások még igencsak energia, vegyszer és beruházás igényesek. Együttrothasztás nélkül csupán a tisztítás teljes energiaigényének a felét, tehát a levegőztetés energiaigényét lehet a rothasztással megtermelni. A szennyvíziszap jól tervezett együttrothasztása akár teljesen energia függetlenné is teheti a szennyvíztisztítást, mint ahogy sikerült elérni azt az észak- és dél-pesti szennyvíztelepeken. Óvatosnak kell azonban lenni az anaerob rothasztók fajlagos térfogati terhelésével, a bedolgozásra kerülő alapanyag összetételével, s annak egyenletességével is.